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公元653年。唐高宗皇位未稳急于用泰山封禅彰显皇威。自认血统高贵的安王李承道，卧薪尝胆图谋夺回皇位。李承道派死士暗中阻杀，泰山封禅在一场腥风血雨中惨淡收场。唐高宗在打击后一蹶不振不理朝政。郦贵妃为了制衡在后宫日益壮大的势力，决定让唐高宗把身处在感业寺中的武媚娘接回宫中。唐高宗借以感业寺修葺进香为名，带着官员们一起去寺里进香礼佛多少以挽回封禅受挫颜面，并顺道把武媚娘接回。狄仁杰带着家丁二宝，为躲避婚约尾随到长安述职的父亲。在父亲的引见下，狄仁杰与国丈爷刑部尚书王佑仁见面，狄仁杰这才发现王佑仁之子王元芳竟是当天在市集上遇到了纨绔公子哥。两人不打不相识，王元芳告诉狄仁杰感业寺最近闹鬼的传闻，约他一同前往探个究竟。却随即发生了一系列恐怖案件……成功破解感业寺疑云的狄仁杰得到唐高宗和武媚娘的欣赏与信任，狄仁杰与在寺中结识的李婉清互生情愫，而元芳与梦瑶也互生好感。几人决定四处游历。一路打打闹闹，也屡遇凶险，经历了鸢尾谷的亡灵案，孤岛魔影案，九天玄女童谣杀人案后，狄仁杰与元芳成为挚交好友，两对年轻人的情感也愈加浓烈。但敏感的狄仁杰却始终感觉到了李婉清对身世难以放下，以及身后一股神秘势力在暗中的蠢蠢欲动……
王夫人抬头时看到有人拿匕首行凶，她大叫一声，狄仁杰等人上楼后看到童梦熙的头挂在房梁上，童梦瑶在床上睡着，等她醒来时受到惊吓，李婉青怀疑是神姬所为，她说出被偷袭之事。神姬要逃走时被官兵抓捕，当她来到房间看到童梦熙已死，神姬否认杀人，李婉青上前质问。
童梦瑶情绪很激动，王元芳拉住她，屠县令命人把神姬先带回去。狄仁杰勘察案发现场，他发现蜡烛不对，狄仁杰询问王夫人，他看出剪影有异常，王元芳发现火镰子，童梦瑶知道姐姐从来不玩。童安波看到童梦熙的头后受到惊吓，他指责史太极可能报仇，史太极怀疑是童夫人所为，而王元芳一直在监视他们，童夫人被童安波骂走，狄仁杰追赶上去了解情况，他这才知道童梦熙不是大太太的亲生女儿，而是童安波和大太太的妹妹所生。
当年童梦熙生下后被童夫人抱走，外面传言她妹妹因难产而死。狄仁杰又找王夫人询问，王夫人认为李润南另有喜欢之人。童安波很伤心，狄仁杰猜想凶手并非冲着童梦熙而来，他想到张天师，狄仁杰想搞清二十年前的真相，王元芳发现地上的那串脚印是假的，他判断凶手没有逃离，狄仁杰明白火镰在婆婆念的童谣里也出现过。屠县令听出童谣有问题，那和史燕和童梦熙的死如出一辙。
那是很久以前的童谣，梦童瑶小时候在那里时没听过，据说童谣一唱就有不好的事情发生。李恪说起那首童谣，下人有些惊讶，镇上所有的杀人案都和童谣有关系。王元芳一早去找狄仁杰，狄仁杰感觉史夫人有些奇怪，他已经确认史燕和童梦熙都是张天师的私生女。
玄女用屠县令当人质来威胁王元芳，王元芳不相信她的通灵术，屠县令被释放，王元芳让玄女施展通灵法术，众人一起来到玄女宫，玄女作法时被王元芳揭穿，他清楚她用蚕丝来让自己升降，玄女是假的让众人议论纷纷，王元芳一一揭穿她骗人的把戏，屏风被抬走，玄女无话可说，她利用大家求医心切之心来骗人，玄女否认，狄仁杰发问。